Nature系列2024年新子刊！三位作者，向更小尺寸晶体管进发

研究背景

随着集成电路技术的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）电路已成为现代科技进步的推动力。通过不断缩小MOSFET的物理尺寸，人们期望提高整体效率，包括性能、功耗、面积和成本等。然而，随着尺寸的减小，面临着短沟道效应等挑战，使得硅基器件的进一步缩放变得困难。

为解决这一问题，科学家们转向了二维材料（2DMs）的研究，这些材料具有原子尺度的厚度和非悬挂键的界面，有望实现更小尺寸的晶体管。然而，将2DMs从实验室应用到工业生产中依然面临诸多挑战。这包括大规模转移技术、高质量材料合成和与现有生产线的兼容性等方面。

成果简介

近日，复旦大学微电子学院周鹏教授以及刘春森研究员等人对此问题进行了深入研究，相关成果在“Nature Reviews Electrical Engineering”期刊上发表了题为“Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era”的最新论文。本研究侧重于比较硅基MOSFET和2DMs基MOSFET技术，并分析了通道工程、接触工程和介质工程等方面的关键科学问题。通过对比和分析，作者提出了针对2DMs的性能优化路径，并探讨了解决不同工程问题的有希望方案。

图文导读

图1展示了针对2DMs和硅技术的器件工程策略。左侧展示了对2DMs的绝缘体、接触、通道和集成工程趋势，右侧展示了对硅技术的相应工程趋势。这些工程策略旨在解决不同材料系统下的器件工程挑战，并推动集成电路技术的进步。

图1：二维材料（2DMs）和硅技术的器件工程策略。

图2主要讨论了通道工程的问题。图中a部分展示了基于硅的晶体管尺度路径，从结构创新转向材料创新。随着技术节点的缩小，通道厚度、栅长和技术节点之间的不匹配程度变得更加严重。而b部分展示了不同二维材料的迁移率与带隙之间的关系，表明了2DMs在通道工程中的潜力。c和d部分通过雷达图比较了N型和P型金属-氧化物-半导体（NMOS和PMOS）的性能，突出了2DMs在物理栅长方面的优势。

图2. 2DM晶体管的通道工程。

图3重点讨论了接触工程的问题。a部分展示了基于硅技术路线下活性区结合深度与栅长之间的关系，b部分则展示了2DMs中接触电阻与接触长度之间的关系。图中c部分呈现了金属功函数和熔点的关系，以及金属与P型和N型接触的适应性。这些结果有助于优化2DMs晶体管的接触工程，提高器件性能。

图3. 2D材料晶体管的接触工程。

图4着重讨论了介质工程的问题。a部分展示了典型的硅氧化物块状绝缘体集成方式，b部分则说明了使用传统原子层沉积方法直接在2D材料表面生长绝缘层时的缺陷。c部分提出了有效的绝缘体集成策略，如范德华堆叠绝缘体和种子层诱导策略。d和e部分通过质量和介电常数与带隙值之间的关系图，比较了不同介质集成策略的效果。

图4. 2DMs晶体管的介质工程。

图5主要介绍了硅和2DMs晶体管的制造流程。a部分展示了基于硅的器件集成过程，包括通道的离子注入、栅的定义和金属化等步骤；而b部分则展示了基于2DMs的器件集成过程，其中重点是大尺度2DM通道材料的生长和金属化。

图5：硅和2DMs晶体管的制造流程。

图6总结了2DMs的大面积生长方法。a部分展示了晶圆级2D材料合成和转移的示意图，b部分统计了通过合成获得的2DMs的迁移率及相应面积的数据。这些数据有助于了解2DMs的生长特性和应用潜力。通过对2DMs和硅技术的器件工程进行深入研究，可以为下一代集成电路技术的发展提供重要的指导和支持。优化通道、接触和介质工程，以及改进制造流程，将有助于实现器件的进一步缩放和性能提升，推动集成电路技术的不断创新和发展。

图6：2DMs大面积生长的总结。

总结展望

本文通过借鉴硅MOSFET技术的持续创新经验，并通过对通道、接触和介质工程方法的优化和进一步发展，我们可以期待在2DMs领域实现器件性能的突破。本文关键在于将优化2D晶体管的方法全面考虑，采取综合性的器件工程措施。在前端工艺方面，必须实现自对准集成工艺、高质量的晶片级2DMs合成和转移。这一科学启迪为未来集成电路技术的发展提供了新的思路和可能性，为作者迈向超越传统极限的微型化器件铺平了道路。

文献信息

Zeng, S., Liu, C. & Zhou, P. Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era. Nat Rev Electr Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s44287-024-00045-6